宇宙時空的終極圖景
我們人人都是生活在一個四維時空中，其中，空間有三個維度，時間是一個維度，我們在四維時空中的運動速度恆定為光速。這是我們在上一章中瞭解到的內容。把三維的空間拓展到四維，這並不是愛因斯坦首先想出來的，而是他的大學老師，德國數學家閔可夫斯基首先提出——應該把時間也作為空間的一個維度與另外三個維度整合起來。在看到學生愛因斯坦的相對論之前，他就有了時間維的初步想法，等看到相對論後，閔可夫斯基恍然大悟。數學大師不愧為數學大師，他很快（1908年）就在相對論的基礎上，建立起了閔可夫斯基時空的數學模型，愛因斯坦對此也是敬佩不已。下面首先讓我們來看看閔可夫斯基的四維時空圖是怎麼回事，這可是一個相當有趣的模型。
圖只能畫在二維的平面上，在二維平面上想表達三維的物體本就已經很困難了，還要學會透視法什麼的，現在閔可夫斯基居然想在二維的平面上表達四維空間的運動，那真是需要具備超凡的勇氣和智慧。閔可夫斯基是這麼想的，運用二維上的透視法，最多只能畫出三個維度的物體形象，這個是我沒法改變的，現在我必須要體現出時間這個維度，那麼既然如此，我只好犧牲一個空間維度，讓我們先把三維的空間壓縮成兩維的空間，這樣我們就能在紙上把空間和時間盡可能地畫在一起了。
於是，閔可夫斯基畫出了這樣一張時空圖：
【圖8-1】閔可夫斯基四維時空基本圖
我已經看到了你失望的眼神，你可能滿心期待能看到一張驚世駭俗的做夢也沒想到過的神圖，可是，眼前就是一張隨便打開一本中學數學課本就能看到的圖。各位，耐心點，真正精彩的大片往往都是從平淡的開頭開始的，魯迅先生詩曰：「心事浩茫連廣宇，於無聲處聽驚雷。」我覺得形容的正是你接下去將要看到的內容。請先耐著性子聽我解釋一下，上面這張圖的x軸和y軸表示空間坐標（把一個空間維度，也就是z軸給忽略了），並且空間坐標是兩端延伸的，表示在空間中可以朝正反兩個方向運動。豎著的這根線就是時間坐標（ict），為了讓坐標系的單位統一，所以這根坐標的單位是光速c乘以時間t，這樣得到的就是跟空間坐標單位一樣的距離概念了。那為什麼前面還要加一個i呢？在高等數學裡面，i表示虛數，也就是說，閔可夫斯基為了表達時間這個維度和空間維度的區別在於時間維只能朝一個方向運動，所以加了一個表示虛數的i以示區別。
閔可夫斯基四維時空坐標的要點是：（1）所有的坐標軸互相垂直；（2）坐標軸單位統一；（3）表示時間維度的軸只能朝一個方向運動。
接下去，我們的思維盛宴要開始慢慢上菜了。第一道菜：如果以地面為時空坐標原點，站在地面上不動的愛因斯坦，他的時空運動軌跡是怎樣的？
先思考5秒鐘，然後我們上菜：
【圖8-2】愛因斯坦在時空中的軌跡
愛因斯坦在時空中的運動軌跡是一根和時間軸平行的直線，他在空間中沒有相對運動，但是在時間中運動，因此時空圖如上所畫。應該很好理解對吧？閔可夫斯基把物體在時空中運動的軌跡稱為「世界線（World Line）」，這根世界線上的每一個點稱為「世界點（World Point）」，請記住這兩個名詞，我們後面就直接用這兩個名詞來說事，可以節省很多筆墨。我想特別請各位讀者注意，世界線是真實存在於我們生活中的宇宙中的，你不能僅僅把它當作是閔可夫斯基的「頭腦風暴」練習，或者是一種假想圖。它是一個客觀存在，就如同民航管理局絕不能忽視一架飛機在空間中的飛行軌跡一樣（如果軌跡計算不精確，可是要撞機的）；未來如果有一天成立了時空管理局，那麼世界線就會如同現在的飛機飛行軌跡一樣重要。
第二道菜：仍然是以地面為時空坐標原點，一列在地面上行駛的高鐵，它在時空圖中的世界線是怎樣的？
你可能腦子裡面有答案了，我們上菜，看看是不是想的一樣：
【圖8-3】高鐵運行時的世界線
高鐵的世界線是一根斜線，因為它在時間維運動的同時，也在空間維中運動，所以時空軌跡就是一根斜線。
第三道菜：這次如果以太陽作為參照系，請分別畫出地球和太陽的世界線。
這次的題目貌似難了一點，地球是繞著太陽做圓周運動的，它的世界線應該是怎樣的呢？讓我畫出來給你看：
【圖8-4】地球的世界線是一根螺旋線
地球的世界線就像是一條盤繞在太陽世界線上的蛟龍，蜿蜒而上，是一條規則的螺旋線。這次你可能要稍稍想一下才能理解，不過我相信這肯定難不倒你，這道菜你還是很輕鬆地吃下去了。
第四道菜：以湖面作為參照系，請畫出一顆石子扔進湖水中產生的一個漣漪的世界線。
這道菜看來有點複雜，不知道該從哪裡下筷子，別心急，讓我來幫你一起畫出漣漪的世界線：
【圖8-5】石子投入湖水，產生的一個漣漪的世界線是一個倒圓錐
湖水中的一個漣漪的世界線不再是一根「線」，因為漣漪無法再看成是一個「點」了，它的世界線實際上是一個倒放的圓錐體，隨著時間的增加，體積不斷增大。
第五道菜：以太陽為參考系，請畫出太陽光的世界線。
這次真正的挑戰來了，太陽發出的光不同於一個平面上的漣漪，太陽是一個球體，它向空間的四面八方發出光芒。把太陽想像成一個燈泡，在點亮的那個瞬間，就會形成一個光球。這個光球在百萬分之一秒直徑就達到了600米，一秒後，直徑就達到了60萬千米，相當於地球直徑的47倍，可以裝下10萬個地球。
這個光球不同於火車和漣漪，它在空間的三個維度中都有運動，因此是不可能準確地在只有三個維度的時空圖中畫出它來的。但是如果我們忽略其中的一個空間維度的話，會發現光球的擴散在二維平面上的投影和湖水的漣漪是一樣的，隨著時間的增加而不斷地向四面八方擴散。於是，如果在忽略了一個空間維度的時空圖中畫出來的話，太陽光的世界線和漣漪的世界線是一樣的。如下圖所示：
【圖8-6】太陽光的世界線形成了一個圓錐體——光錐
這個由光形成的圓錐體，閔可夫斯基把它稱為「光錐」。當然，真實的四維時空中的光錐是一個四維光錐（或者可以叫超光錐），我們現在看到的只是它的三維近似形狀，但是這個四維光錐的基本特點在上面這張圖上是基本準確的，隨著時間的增加，光錐的體積迅速增大。
我們現在是用了一個會發光的太陽作為時空坐標原點，很容易就畫出了該時空坐標的光錐圖。下面是重點來了，請一定聽仔細：任何一個事件都可以當作是時空坐標原點，不管這個事件會不會發光，我們都可以假想這個事件是發光的，那麼就可以畫出這個事件的光錐圖，這個光錐被閔可夫斯基稱為「事件的將來光錐」。什麼叫事件？宇宙中發生的任何事情都可以稱為一個事件，小到一根針落地，大到太陽爆炸，一切一切的事情都可以稱為一個「事件」。
下面，閔可夫斯基為我們隆重獻上第一道大菜，這是一個偉大而深刻的發現，它是狹義相對論的一個氣勢恢宏的推論，直接把我們的視野擴展到了全宇宙。閔可夫斯基在1908年的一次名為「時間與空間」的演講中，向世人大聲宣佈了他的發現：
「宇宙中的任何事件都只能影響它的將來光錐內的物體，凡是在事件的將來光錐外的物體不會受該事件的任何影響。」
上面這句話有點長，有一個更文學化的版本是這麼說的：光錐之內即命運。請你仔細讀一下，這是本章的第一個驚雷，高潮正在慢慢醞釀。可能你沒有完全讀懂，讓我來畫一個圖示幫你理解：
【圖8-7】任何有質量物體的世界線，必在事件光錐之內
根據狹義相對論，任何有質量的物體的運動速度都不可能超過光速，因此事件的光錐是該事件能夠影響到的最大時空範圍，凡是處於這個光錐之外的東西均不受影響。舉個例子，如果此時此刻太陽突然熄滅了，由於我們在太陽熄滅的頭一秒鐘仍然處在太陽熄滅事件的光錐之外，所以這個事件不會對我們造成任何影響，我們也根本不可能知道這個事件；只有當8分鐘後，事件光錐覆蓋到了地球所在的位置時，該事件才對我們產生影響。
【圖8-8】太陽熄滅事件的將來光錐8分鐘後和地球的世界線接觸
千萬不要小看這個發現的意義，這是對這個宇宙規律最深刻的發現之一。這個發現告訴我們宇宙是一個「定域」的宇宙，也就是任何一個事件能影響的時空範圍是有大小的，不但有大小，而且大小還是固定的一個圓錐形。注意我的用詞，我說的是時空範圍，並不是空間範圍，我把時間增大及光錐體積增大的情景已經一併說了。
那麼請大家繼續再往下深想一步，既然現在發生的任何事件對將來的影響是「定域」的，那麼曾經發生過的事情對現在的影響必然也是「定域」的。既然有了事件的將來光錐，那麼同樣也應該有事件的過去光錐，過去光錐代表的是過去發生的事件對現在的影響，我們畫出圖來：
【圖8-9】事件的過去光錐和將來光錐
事件的過去光錐剛好是把將來光錐倒過來放置，形成一個沙漏的形狀。這個不難理解，打個比方就是只有8分鐘前的太陽熄滅事件會影響到現在的我，2分鐘前的熄滅事件不可能影響到現在的我。
這下你明白國際物理年，同時也是紀念相對論誕生100週年的標誌的含義了嗎？（圖7-12）
它就是一個抽像的事件光錐的全貌，喻示著物理學的過去與未來，這個事件光錐與E＝mc2一樣，都是相對論的標誌性象徵，它蘊含著深邃的宇宙奧義，足夠你我用一生去慢慢回味。
閔可夫斯基的四維時空圖和事件光錐的發現深深震撼了愛因斯坦。但同時他們兩人心裡都明白，這事肯定還沒完，宇宙的奧義只是剛剛露出了冰山一角，四維時空圖也只是一幅剛剛展開一點點的卷軸畫，這幅卷軸畫全部展開後，到底會在人類的面前呈現出一幅怎樣的全景圖呢？閔可夫斯基和愛因斯坦都懷著深深的好奇心，他們都迫不及待地想要一覽卷軸中的秘密。這一年閔可夫斯基44歲，愛因斯坦29歲，他們一個沿著數學的思路，一個沿著物理的思路，繼續發掘時空圖中隱藏的秘密。
第二年聖誕節剛過，天氣異常寒冷，閔可夫斯基和兩個不滿10歲的女兒親吻道晚安，看著她們甜甜地進入夢鄉。然後，他回到自己的書房，點亮檯燈，迫不及待地開始了演算。最近他正為一些新的發現和計算結果感到興奮不已，他覺得自己已經快要解決狹義相對論的缺憾了，那就是狹義相對論不能包含非慣性系的問題。突然，他感到中腹有隱隱的疼痛。閔可夫斯基並沒有特別在意，他想可能是自己吃壞了肚子，沒事，挺一挺就過去了。但是很快中腹的疼痛開始向右下腹轉移，而且越來越劇烈，很快就疼得他掉下了大顆大顆的汗珠。他一聲慘叫，妻子聞聲跑過來，看到此情景嚇壞了，立即把閔可夫斯基送往醫院，但最終搶救無效，閔可夫斯基於三天後去世。科學界的一位重量級人物在正值創作力巔峰的時候突然隕落，實在讓人感到萬分遺憾。奪去閔可夫斯基生命的病症，其實就是在今天看來毫不起眼的急性闌尾炎，切除闌尾只是現代外科手術中最簡單的一個，任何一個鄉鎮醫院的外科醫生都會做，然而它卻奪去了閔可夫斯基的生命。若不是閔可夫斯基的意外身亡，第一個完整打開卷軸看到宇宙時空終極圖景的人，很可能就不是愛因斯坦而是閔可夫斯基。
閔可夫斯基死後，他的生前摯友希爾伯特整理了閔可夫斯基的遺作，並且結集出版。愛因斯坦在看到閔可夫斯基的遺作後深受啟發，最終一個人獨立完成了廣義相對論說。廣義相對論發現了時空彎曲這個驚人的事實，後來愛因斯坦又從數學的角度推斷出宇宙要麼膨脹要麼收縮，最後由美國人哈勃證實了我們的宇宙正在快速膨脹，從而，人類開始認識到宇宙是有一個開始的，並且很可能開始於一次恢宏的宇宙大爆炸。這些是我們在第五章最後已經瞭解過的內容，在這裡重提此事，因為它事關時空的終極圖景。下面，就讓我來為你打開卷軸，讓我們一覽這個宇宙時空的終極圖像。這是以愛因斯坦為首的廣義相對論學家們和天文學家們苦苦追尋了幾十年的圖像，這是他們日思夜想、夢寐以求的圖像：
【圖8-10】宇宙時空的終極圖像
這就是我們這個浩瀚宇宙從最初到現在整個時空的終極圖像。宇宙的未來還未發生，我們不敢妄言它的圖像。現在請你跟我一起閉上眼睛，讓我們一同想像一下你站在星空下，朝著宇宙的任何一個方向望去，你看到的既是浩茫的空間，也是深遠的時間，天上星星發出的光芒跨越了漫長的時空到達地球。我們看得越遠，看到的景象就是越早的。每當我們抬頭看星空，看到的其實就是宇宙的歷史。這個終極的宇宙時空圖景看上去像什麼呢？是不是很像一個堅果呢？比如一顆瓜子，一顆松子，一顆榛子。霍金為他的第二本科普巨著取名為《果殼中的宇宙》，他自己說書名是引用自《哈姆雷特》中的一句台詞。然而每當我看到這幅宇宙時空圖，總不禁感到，宇宙過去的時空也正像是個堅果的外殼，包裹著宇宙萬物。從這個角度講我們的宇宙是一個「果殼中的宇宙」，似乎也很貼切。